专利名称：一种抑制声波和振动对光纤传感系统中光纤光路影响的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种新的抑制环境噪声和振动对光纤传感系统光纤光路的影
响的设备。
背景技术：
随着光纤技术和通信技术的发展，光纤传感技术越来越成熟，种类越来越多。 由于光纤传感器用光信息作为载体，又不易受到电磁干扰的影响，具有潜在的测 量精度高、应用范围广等特点。光纤传感器已常用于声纳探测、音频传输以及应 变、应力、振动等的测量。随着现代化的发展，对通信光缆(包括海底光缆)、 卨压电网、输油管道、输气管道等基础设施的依靠越来越大，对这些基础设施的 安全监测也日益重要，分布式光纤传感器以其高精度、高实时性，越来越受到人 们的关注，正在逐渐取代传统的测试手段复杂、实时性差的一些监测系统。
但是，由于光纤自身很容易敏感外界环境的变化，光纤传感器虽然具有诱人 的传感优势，但是很容易受到外界环境的影响，这成为系统精确测量的障碍，使
系统的可靠性和工程实用性受到严重的影响。
外界环境对光纤传感器影响最明显的是噪声(即声波)和振动。
当光纤表面受到声压AP作用时，除因AP直接产生相位调制外，还会使光 纤略有温升产生(绝热过程)，因而通过这一效应对光纤相位也产生调制，即 ^二丄，lpAT+丄生l, (a)
式中，(p是相位，AP是声波施加在光纤上的压强，T是温度， AT二 AP。 "/*|表面除取决于光纤材料及形状外，还与光纤周围
的介质有关。例如，水和空气对应的^^^^目分别为6X1(T6K/Pa和9X10一 2K7Pa。把裸光纤放在空气中时，压力一温度一相移效应项是直接的力一相移效
应项的2XW倍。由此可见，光纤对声音很敏感，利用这一特性，可以制成声 波传感器。但是，光纤对声波的这种敏感特性，对于非声音传感的光纤传感器却 是致命的缺点。因为，在实际使用中，不可能为光纤传感器提供一个绝对安静的 环境，光纤传感器中的光纤光路，如果对声音很敏感，将会影响系统的传感性能， 甚至导致系统无法正常工作。所以必须解决这一问题，否则，光纤传感器将很难 彻底走出实验室，实现工程化应用。
除r环境噪声的千扰，振动也是光纤传感系统在实际环境中使用需要克服的 一个干扰源。虽然光纤传感器通常放置在静止的环境中，但是，周围环境中会有 一些振动，如当重型卡车驶过，房门重重的关上等等，这些都会引起地表、建筑 物振动，并随之传到光纤传感器，使光纤内部应力发生变化，从而对传感器输出
信号带来影响。
要解决光纤对声音的敏感问题，方法之一是可以公式(a)出发，寻找一种
对光纤没有损伤的物质，使光纤被这种物质所包裹，该物质的"/^l^i远远小 〗二空气中的"/<5 | "。但是，对于同样的声压下，被这种物质所包裹的光纤所
感受到的AP很可能明显的大于光纤处于空气中的AP。这就会导致公式(1)的 A(pAp的值没有显著减小。例如，对于"/^l表w，水中的值要比在空气中低近四 个数量级，而光纤在水中实际的灵敏度只比在空气中下降了 1个数量级。这是该 方案的难点。
为了维持系统的稳定，对需要隔离声音和振动的光纤光路采取地埋的方法。 但是，为了达到较理想的效果，要仔细选择埋地点的周围环境和土壤状态，这就 限制了系统的使用；同时由于埋地点的地表环境、周围环境会随时间变化，可能 会导致环境声波和振动对光纤传感系统的影响劣化，因此，这种方法只能是权宜
之u-。
综上所述，科学合理的抑制环境噪声和振动对光纤传感系统光纤光路的影 响是目甜需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是获得一种结构简单、行之有效的抑制声波和振动对光纤 传感系统中光纤光路影响的装置，以增强光纤传^系统的工程实用性。
本实用新型提供了一种抑制声波和振动对光纾传感系统中光纤光路影响的 装置。该装置的上支架3和下支架1通过圆柱型支架体联接形成支架整体，上F 支架均有阻尼元件2固定在金属柱4上，需要隔离声波和振动的光纤光路装置 20置于上支架3,上述装置通过金属柱4固定在密封的真空容器中。
本实用新型的装置中，每个支架上对称分布阻尼元件3-5个，金属柱4与阻 尼元件2相应。例如，每根金属柱4上都固定阻尼元件2两个，这两个阻尼元件 2分别与上支架3或者下支架1连接。
本实用新型的装置中，密封的真空容器是圆柱型。
本实用新型从阻断声音传输、衰减振动入手，解决外界声音、振动对光纤 传感器的影响。
本实用新型首先从声音传输的根源入手，解决声音敏感这一问题。众所周 知，声音是通过媒质传播的，如果没有媒质，声波就无法传播。本实用新型将光 纤光路放置在抽真空的容器中，这样，声波无法通过空气传输到光纤光路上。
由于固体也可以成为光纤传输的媒质，因此，在本实用新型中，将光路悬 在容器的中间，使其与真空环境的外壳(容器)不直接接触，这样，容器壁与光 纤中间除了悬挂光路的器件外，没有声波传播的传输媒质，这样，人为为光纤光 路创造了一个较为理想的安静环境。
在本实用新型中，使用的悬空光纤光路的器件，是对振动具有衰^l作用的 阻尼元件，这样，对于外界的振动，起到缓冲的作用，使传输到被其悬挂的光纤 光路上的振动被大大的衰减，从而降低光纤光路对外界振动的敏感性。
放置在真空容器中的光路可以是光纤传感器的干涉光路中整个、或部分光 纤光路。这些干涉光路结构可以是马赫-增德尔(Mach-Zehncter)、迈克尔逊
(Michlson)、斐索(Fizeau)等双光束光纤干涉仪，也可以是三光束干涉仪， 或是F-P干涉仪，Sagnac干涉环等。还可以是基于白光干涉的光纤定位系统。
放置在真空容器中的光路也可以是一段连续长度的光纤、或光纤与光纤无 源器件、光电子器件等构成的组件。
光纤传感器使用该实用新型所述方法，由于可以根大程度地抑制环境噪声
和振动的影响，使得系统的可靠性能大大增加，系统的工程应用性能明显提高。 同时，由于对环境噪声、振动的抑制作用，在使用环境中，系统的噪声会明显降 低，这有利于提高系统的测量精度。
该实用新型的方法可以方便应用于仅起传输作用的光纤光路；对于起敏感 作用的这部分光纤光路，如果该方法的使用不影响其对测量量的敏感，本实用新 型也可以应用于该部分光路，以减小外部环境噪声和振动对它的影响。
图1是抑制声波和振动对光纤传感系统中光纤光路影响的装置的内部结构 图。其中，l是下支架，2是阻尼元件(2a是连接上支架的阻尼元件，2b是连接 下支架的阻尼元件)，3是上支架，4是金属柱。
图2是使用本实用新型的方法来抑制噪声、振动干扰的光纤定位监測系统 的结构示意图。其中，5是光源，6是探测器I， 7是探测器n, 8是耦合器I， 9 是耦合器II， IO是扰动点，ll是发射面，12是耦合器端口I， 13耦合器端口n, 15是延时器，16是输出端口I， 17是数据处理终端，18是输出端口I1, 20是干 涉部分光路。
图3是安装干涉光路的容器未抽真空时，施加音频干扰，对信号进行频谱 分析的结果图。
图4是安装干涉光路的容器抽真空后，施加音频干扰，对信号进行频谱分 析的结果图。
图5是安装干涉光路的容器未抽真空时，放在噪声环境中，光纤定位系统 的测量结果图。
图6是安装千涉光路的容器抽真空后，放在噪声环境中，光纤定位系统的 测量结果图。
具体实施方式
图1是本实施例的部分内部结构，需要个陽离声被和振动的光路部分用 704硅胶画定在支架上，支架由六个具有一定國曹擬动频率敏阻尼元件(三 个被称为2a的阻尼元件在上支架和三个被称为胁的阻尼元件在下支架)悬挂在中央，阻尼元件2的另一端分别固定在三根金属柱4上，金属柱4固定 在抽真空容器上，抽真空容器外型为圆柱，支架体上可以环绕光纤。这样， 光纤光路被悬在空中，外部的振动(包括声波引起的容器壁的振动)只能通 过六个阻尼元件传递到固定在支架的光路上。
实际使用上述装置对测试结果的影响如下
在本实施例中，使用改装置的传感系统是一基于白光干涉的分布式全光
纤定位监测系统，该系统的千涉部分光路20被固定在支架上。图2是该定 位系统的结构原理图。光源5之后是耦合器8，经过分光，耦合器端口 12的 分光经过延时器15,之后是耦合器9，到达光纤非正常扰动点非法侵入点10， 并被监测光纤端面反馈装置11反射，反射光通过耦合器9回到耦合器8的 端口 13;耦合器端口 13的分光经过耦合器9到达扰动点10,并经过反射面 ll反射，反射光经过延时器15回到耦合器8端口 12。两光束在3x3光纤耦 合器8中形成携带有被测物理量特征的光信号分别由18、 16端口输出，该 信号相应被探测器6、 7接收后传送到数据处理终端17。数据处理终端17对 干涉信号进行频谱分析，根据频率陷波点的位置确定扰动点IO的位置
"(2"),c (b)
其中，k为自然数，fnun(k)为第k个陷波点的频率。c为真空中的光速， neff为光纤的有效折射率。L为扰动点IO到反射面11的距离。数据处理终端 17通过对干涉信号进行频谱分析计算，最终获得扰动源的具体位置和扰动信
号的大小。
在容器没有抽真空之甜，对容器施加声音干扰，对传感器输出信号进行 频谱分析，可以发现，在声音频率的位置会出现相应的频率峰，例如，如图 3所示，当在容器外施加60分贝的3500Hz信号时，在频率谱上相应的3500Hz 处出现了一个频率峰。对容器进行抽真空，压强约为10—2乇，施加相同的音 频千扰，频谱上观察不到明显的频率峰值。如图4所示。
将抽真空容器放在噪声卯分贝的环境中，当施加扰动源位置距反射端L 为约为30千米时，频谱l:可以明显观察到相应的陷波点，如图6所示。但 在抽真空前，放在同样的环境中，观察不到正确的陷波频率点位置，如图5所示。
为了观察该结构对环境振动的隔离作用，从外部对容器底部施加一冲 击，观测图1中支架的上支架3的振幅。试验表明，将图l中安装了光路的 支架不用阻尼元件悬挂，直接放置在容器内(即支架底部直接与容器底部接 触)，在上支架3引起的的振幅，比使用图l所示的阻尼元件悬吊的方法增
加了 6倍左右。
从以上实施例可以看出，使用本实用新型的装置可以有效的抑制环境噪声 和环境振动对光纤传感器的影响。
权利要求1.一种抑制声波和振动对光纤传感系统中光纤光路影响的装置，其特征是上支架(3)和下支架(1)通过圆柱型支架体联接形成支架整体，上下支架均有阻尼元件(2)固定在金属柱(4)上，需要隔离声波和振动的光纤光路系统(20)置于上支架，上述装置通过金属柱(4)固定在密封的真空容器中。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征是上支架(3)和下支架(1)均 有阻尼元件(2) 3-5个，每根金属柱(4)上分别固定两个阻尼元件(2)，这两 个阻尼元件(2)分别与上支架(3)或者下支架(1)连接。
3. 如权利要求l所述的装置，其特征是密封的真空容器是圆柱型。
专利摘要本实用新型提供了一种抑制环境噪声和振动对光纤传感系统光纤光路的影响的设备。本实用新型的装置，由上支架和下支架通过圆柱型支架体联接形成支架整体，上下支架均有阻尼元件固定在金属柱上，需要隔离声波和振动的光纤光路系统置于上支架，上述装置通过金属柱固定在密封的真空容器中。本实用新型可以很大程度抑制环境噪声和振动对光纤光路的影响，有效地提高了光纤传感系统的稳定性和可靠性，大大增强了系统的环境适用性。本实用新型不仅可以适用于仅起传输作用的光纤光路，也适用于某系敏感光纤光路。
文档编号H04B10/08GK201004640SQ20072006622
公开日2008年1月9日 申请日期2007年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者璜 唐, 杨锡良, 骅 章, 章壮健, 倩 肖, 波 贾 申请人:复旦大学